Неразрушающее исследование живых клеток и клеточных структур является в настоящее время важным направлением научных изысканий, которые во многих зарубежных и российских научных группах направлены на достижение вполне прагматической цели – разработку новых принципов биомедицинской диагностики и эффективных подходов в нарождающейся персональной медицине.
Одним из уникальных семейств таких методов, которые естественным образом позволяют достигнуть казалось бы трудно достижимую цель “увидеть”, что же именно происходит за нежными и чувствительными клеточными мембранами, является спектроскопия гигантского комбинационого рассеяния (ГКР или SERS, Surface Enhanced Raman Spectroscopy). Этот метод сочетает в себе несколько совершенно замечательных факторов, которые делают его методом выбора для наблюдения за биохимическими и биологическими процессами.
Во – первых, этот оптический метод анализа позволяет снизить мощность “потребляемого” в этом методе лазерного излучения более, чем на порядок величины, что позволяет сохранить в целости и сохранности тот биологических объект, который подвергается изучению. При этом обычные мощности, которые используются в спектроскопии комбинационного рассеяния, могут в ряде случаев повреждать клетки, поскольку плотность энергии в лазерном пучке способна достигать сотен мощностей излучения Солнца на поверхности Земли.
Во – вторых, чувствительность ГКР такова, что позволяет получить спектральные характеристики от отдельных молекул, поскольку коэффициенты усиления колебательных спектров достигают миллионов и миллиардов раз в присутствии плазмонных наноструктур, которые составляют неотъемлимую, материаловедческую, часть спектроскопии ГКР. При правильной наноструктуре ГКР работает хорошо, без наноструктур метод не работает вовсе, потому что металлические наноструктуры (серебро, золото) в силу своих физических особенностей “концентрируют” электромагнитное поле вблизи своей поверхности при воздействии лазерного излучения. Эта особенность означает, что ГКР может почувствовать молекулы и биомолекулы в предельно низких концентрациях, то есть дает, собственно, возможности мониторинга различных интермедиатов биохимических процессов, следы которых сложно обнаружить какими – либо другими методами, в том числе тех процессов, которые протекают в живых клетках.
В – третьих, при использовании ГКР речь идет не только об индикаторных системах, то есть о детектировании того, есть или нет та или иная молекула. В ряде случаев возможна оценка численных значений концентраций молекул на уровне наномолярных концентраций, и главное, на выходе получается спектр, то есть запись всех возможных, разрешенных, колебаний, позволяющих не только достоверно опознать молекулу, в том числе по колебаниям в области “отпечатков пальцев” (fingerprints)молекулы, но и получить информацию о ее конформации (структуре), которая может меняться закономерным образом в биологических процессах.
В – четвертых, для реализации метода ГКР совсем не обязательно осуществлять прямой физический контакт и сорбцию молекул на поверхности наноструктур. Существенное усиление спектральных характеристик происходит на расстояниях вплоть до 10 – 15 нм от поверхности наноструктуры. С учетом того, что это расстояние сопоставимо с толщинами мембран различных клеток и клеточных органелл у животных и человека, становится возможной неинвазивная трансмембранная диагностика таких биологических структур.
Ученые Московского университета химического, биологического факультета, факультета наук о материалах МГУ уже на протяжении нескольких лет успешно используют метод ГКР для исследования состояния живых эритроцитов, а в последнее время – и митохондрий, которые являются энергетическими фабриками организма, поэтому их ничтожные изменения и особенности протекающих внутри митохондрий процессов могут стать основой новых методов медицинской диагностики (Рис.1).
Работа поддержана РФФИ (проект 17-03-01067).
